城市电网改造中有关问题分析
【内容摘要】本文介绍了城市电网改造过程中的电压等级、一次系统接线方式、继电保护以及操作电源等方面的有关情况，并对微机保护与操作电源存在的问题进行了分析，供大家参考。
【关键词】 城市电网改造 一次系统 环网式供电 微机保护 操作电源
随着城市的发展，城市电网需要不断进行扩容，老设备也需要不断进行升级更新。因此在城市电网改造过程中经常会遇到电压等级、一次系统接线方式、继电保护以及操作电源等方面的问题，同时还回涉及到城市电网规划与设计、新产品的选型以及供电可靠性与经济运行与管理维护等方面的问题。
1电压等级
电网的额定电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济的合理性以及电气设备的制造水平等因素，经全面分析论证，由国家统一制定和颁布的。
我国交流电力网和电气设备的额定电压见下表。
由于历史上的原因我国电网电压等级比较多，国家电网公司曾经邀请国外专家对我国电网电压等级进行了论证。超高压输电系统在500kV的基础上，开始发展750kV超高压输电系统。根据国外的经验，高压高压输电系统将以220kV为主， 330kV将逐步被淘汰，110kV将逐步向深入到中压配电系统。
我国中压配电系统电压等级原来有5种之多，其中3kV已经被淘汰；由于10kV高压电动机的推广，6kV也逐步被淘汰；66kV只限于东北地区老电网，这样中压配电系统电压等级目前只有35kV与10kV两个电压等级。国家电网公司经过专家论证后将来增加20kV等级，而且110kV将逐步向深入到中压配电系统后，35kV将逐步被110kV替代。国家电网公司提出在江苏、云南与黑龙江等地区新建项目中开始试验性推广，在经济比较发达地区110kV将逐步代替35kV，在城区仍然以10kV为主要电压等级。
2一次系统接线方式
城市电网的一次系统接线方式需要根据供电可靠性要求、变压器容量及分布与地理环境等情况进行设计。城市电网普遍采用开闭所，一次系统接线方式方有放射式、树干式与环网式及其组合方式。
一次系统接线方式采用放射式供电方案可靠性高，发生故障后影响范围小，切换操作方便，继电保护简单，但采用的供电线路与高压开关柜多，工程造价高，主要用于对供电高可靠性要求高的供电系统。
一次系统接线方式采用树干式供电方案时，供电线路与高压开关柜少，工程造价低；但发生故障后影响范围大，供电可靠性差。一般用于对供电可靠性要求不高的架空线路供电的供电系统。电缆π接箱推广后，在城市电网中也开始采用树干式一接线方式。
一次系统接线方式采用环网式供电方案可取得两路供电电源，供电线路与高压开关柜少，工程造价低；发生故障后经过操作可减小事故影响范围；但继电保护与操作复杂。随着微机保护的发展，国外一次系统接线方式已经普遍采用环网式供电方案，而且为闭环运行。由于城市电网采用电缆后，电缆隧道的新建与改建都会遇到许多困难。随着微机保护的普遍推广，我国一次系统接线方式也开始采用环网式供电方案，但目前供电部门只允许采用开环运行方式。
环网式供电方案一次系统主接线见图1与2。图1为单侧电源环网式供电系统图，两路电源分别取此同一个总降压站或10kV配电所的两段母线上。
图2为双侧电源环网式供电系统图，两路电源分别取此不同地区的两个总降压站或10kV配电所。
图3为双回路环网式供电方案一次系统主接线。北京金融街用户供电可靠性要求高，新建开闭所与电缆隧道非常困难，一次系统主接线需要采用环网式供电方案，为保证供电可靠性，采用双回路环网式供电方案，这样每个用户电源为两进两出；并要求用户自备柴油发电机组给一级负荷中特别重要负荷供电。
3继电保护
3.1常规继电保护
常规继电保护由电流、电压、时间与信号继电器组成，继电保护配置、二次电路设计、继电保护现场调试与试验复杂、日后维护工作量大。保护灵敏度，精度不高，不易实现计算机管理与少人或无人值班。微机保护普遍后，电流、电压、时间与信号继电器生产量越来越少，价格也不断提高，所以新建变电站已经不再采用常规继电保护。采用常规继电保护的老变电站也在通过技术改造不断改为微机保护。
3.2微机保护的定义
微机保护是利用计算机技术完成继电保护功能的先进的继电保护装置，简称微保装置。继电保护装置一般都具有监控与通信功能，与计算机系统联网后，就可以组成变电站综合自动化系统，所以又称为变电站综合自动化装置，简称综保装置。《继电保护与安全自动装置技术规程（GB/T 14285－2006）》将微机保护定义为数字式继电保护装置。
3.3微机保护的优点
（1）可靠性高
微机保护装置的软件设计，可以考虑到电力系统的各种复杂的故障，具有很强的综合与判断能力，因此动作可靠性高。此外微机保护装置具有很强的自检与巡检功能，从而也提高了继电保护的可靠性。
（2）具有比较多的附加功能
采用微机保护装置后，如果与计算机或配网自动化系统联网，就可以在系统发生事故后提供多种信息。例如保护各部分的动作顺序和动作时间记录，事故类型和相别及事故前后电压和电流的波形记录等。对于线路保护，还可以提供故障点的位置（测距）。有助于运行部门对事故的分析和处理。
（3）灵活性大
由于微机保护装置的特性主要由软件决定（不同原理的保护可以采用通用的硬件），因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能。从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。
（4）保护性能得到很好改善
由于微机保护装置中计算机技术的应用，很多原有常规继电器型继电保护中存在的技术问题可找到新的解决办法。例如如何识别变压器励磁涌流和内部故障等问题都已提出了许多新的原理和解决方法，使继电保护功能得到改善。
（5）可以实现变配电所无人值班
由于微机保护装置且具有通信功能，因此可以以与配网自动化系统联网，利用“遥测、遥信、遥控、遥调”等四遥功能，实现少人值班和无人值班功能。
（6）二次电路设计简单
由于采用微机保护装置后，保护功能全部由软件来实现，二次电路设计只与测量、控制、信号及通信回路有关，二次电路设计就得到简化。。
（7）降低变配电所综合造价
采用全分散式安装的微机保护装置，变电站二次电缆大量减少，保护设备维护量少，变电站管理水平提高。节约投资与降低整个变电站工程造价；电子信息技术在变电站中优势得到充分发挥，有较好经济效益和社会效益。
（8）调试与运行维护简单方便
常规继电器型继电保护、电子型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大。微机保护装置则不同，它的硬件是一套专用计算机，各种复杂的功能是由相应的软件来实现，通过简单操作组合后就可完成各种复杂的功能。因而只要用几个简单的操作就可以检验微机保护装置的硬件是否完好，或者说如果微机保护装置硬件有故障，将会立即表现出来，即有自诊断功能。产品出厂时已经通过检测，现场几乎不用再对产品本身进行调试，只需要进行继电保护联动试验，安装继电保护要求，利用软件组态设置好各种保护参数就可以了，从而可大大减轻调试与运行维护的工作量。
3.4继电保护的保护配置
城市电网10kV系统继电保护配置比较简单，电流速断、过电流与过负荷三段式电流保护基本上可以满足要求。目前我国10kV系统为电源中性点不直接接地系统。继电保护设计规范与技术规程规定发生单相接地故障后，可以运行一段时间，但需要报警，对不重要的用户可以通过轮流拉闸来查找故障。
随着城市电网的不断发展，10kV系统对地电容越来越大；发生单相接地故障后，故障电流也就越来越大，当单相接地故障电流大于10A时就需要跳闸，否则不仅单相接地故障会迅速扩大为相间短路事故，还会引起保护接地线上对地电位的升高而造成安全隐患。此时发生发生单相接地故障后，就需要跳闸与报警。
微机保护的保护功能完全由软件来完成，保护功能比较多，可以满足城市电网10kV系统继电保护的要求，而且与二次电路设计关系不大，现场进行继电保护调试时通过微机保护装置的保护配置设置画面，按照绝对配置要求进行设置就可以了。
发生发生单相接地故障后需要跳闸时，可以选用微机小电流接地选线装置。现在大多微机保护装置已经具有单相接地故障保护跳闸功能，所以就不需要再选用微机小电流接地选线装置。
3.5微机保护的二次电路设计
（1）微机保护的二次电路设计的内容
微机保护二次电路设计的内容包括：测量回路、控制与保护回路、信号回路、操作电源与综合自动化系统设计。
（2）微机保护的测量设计
微机保护二次电路测量回路设计主要内容为电流与电压互感器的选择。电源中性点不直接接地时一般选用两相式电流互感器，当电源中性点通过串联电阻接地，或需要采用过电流保护作为变压器低压侧单相接地保护的后备保护时，需要选用三相式电流互感器。
当不需要单相接地保护报警时需要选用V/V型电压互感器，当需要单相接地保护报警时需要选用Y/Y/△型电压互感器，如果需要单相接地保护跳闸时，除需要选用Y/Y/△型电压互感器外。还需要选用零序电流互感器。
（3）微机保护的控制与保护设计
微机保护二次的控制与保护回路设计根据所选用的微机保护装置接线端子定义进行设计就可以了。
（4）微机保护的信号回路设计
微机保护二次信号回路有位置信号、报警信号与跳闸并报警信号三种。位置信号有断路器合分闸位置、手车运行位置、隔离刀闸位置与弹簧储能位置等。报警信号有变压器轻瓦斯与温度报警。跳闸并报警信号有变压器重瓦斯与干式变压器超高温跳闸信号。二次电路设计时根据所选用的微机保护装置接线端子定义进行设计就可以了。
（5）变电站操作电源设计
变电站操作电源有交流操作电源与直流操作电源两种，采用数字式（微机）保护装置后需要后备电源，UPS不间断电源一般不宜用于感性负载，所以采用微机保护装置后一般应选用直流操作电源。
3.6微机保护的综合自动化系统设计
微机保护装置都有计算机通信接口，可以与计算机系统联网，无计算机系统的变电站，可以与配电网自动化系统联网。
4操作电源设计
4.1变电站操作电源
变电站操作电源断电后，变电站就会在无继电保护情况下运行；此时一旦发生短路事故就会引起越级跳闸，由上一级继电保护动作跳闸，造成全站停电加大经济损失；如果发生过电流或过负荷，继电保护拒动可以会烧毁变压器或相关设备，所以变电站操作电源的可靠性必须保证，变电站负荷等级越高，操作电源的可靠性要求就越高
4.2变电站操作电源分类
变电站操作电源分为交流与直流两种，分别称为交流操作与直流操作。交流操作的操作电源可直接取自所用变或变压器220／380V侧，也可取自电压互感器（需要设计100／220V升压变压器）。由此可见交流操作电源简单、成本低但可靠性差，只能够用于无一二级负荷的中小型变电站。为保证发生事故时可靠跳闸，过去一般采取电容储能或利用电流脱扣器跳闸等提高继电保护动作的可靠性。目前微机保护装置已经得到广泛应，由于微机保护装置只能够通过跳闸线圈进行跳闸（分励脱扣），所以采用交流操作电源的变电站，选用微机保护装置后，必须设计可靠的后备电源。目前一般选用UPS不间断电源作为后备电源。
交流操作的变电站，采用微机保护装置后，都选用UPS不间断电源作为后备电源。按照有关规定变电站UPS不间断电源应采用在线式，但在线式UPS不间断电源价格高。UPS不间断电源不适用于电感性负载，所以交流电源屏设计时只好将弹簧储能电源（合分闸电源）直接引出，不经过UPS电源。后备式UPS不间断电源价格虽然低一些但可靠性差。UPS电源容量根据变电站规模大小一般UPS不间断电源容量可选1～3kVA。工作时间可选用1～1.5h。
变电站采用交流操作后，微机保护与监控装置的信号回路电压一般也为AC220V，其抗干扰能力较差，如果有变压器瓦斯与温度、高压电动机跳闸信号等距离变电站有一定距离时就可能出现误报。现在已经有单位开发出容量小价格低的微型直流电源，所以变电站采用微机保护装置后，就可以直接选用直流操作。
4.3变电站操作电源电压等级
国家《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T 14285—2006）第6.1.2条规定：“二次回路的工作电压不宜超过250V，最高不应超过500V”。我国变电站操作电源的电压等级分为：AC220V、DC220V、DC110V与DC48V。
由于UPS不间断电源的标准输出电压为AC220V，所以交流操作电源电压应选用AC220V，如果选用AC110V，就要选用输出电压为AC110V的非标准UPS不间断电源，会给订货与日后维护造成不必要的麻烦。
直流操作电源电压有DC220V、DC110V与DC48V三种。DC220V与DC110V广泛应用于各种变电站，DC48V主要用于有配电网自动化的环网柜与箱式变压器。由于断路器弹簧储能与合分闸电流都很小，一般不超过5A。由于目前直流屏内的蓄电池都是串联。例如38AH直流屏，如果操作电压为220V，考虑到浮充电的需要，就需要选用20节电压为12V的38AH蓄电池。如果直流操作选用110V电压，同样为38AH的直流屏，只需要9节蓄电池串联。这样直流屏的价格就可以降低。所以直流操作电源电压应优先选用DC110V。经过各种技术交流与有关杂志不断宣传，直流操作电源采用110V电压的意义逐步被大家认可，但还需要继续做好宣传推广工作。
4.4变电站操作电源容量选择
变电站操作电源容量选择目前有关电气设计规范与设计规程中还没有作出明确规定，这就给变电站操作电源设计带来一定困难。过去断路器采用电磁操动机构，其合闸电流大于100A，所以变电站操作电源容量比较大。其直流屏蓄电池都在100Ah以上。
现在电磁操动机构已经淘汰，普遍采用弹簧储能。但直流屏蓄电池容量仍然按照习惯，中小型变电站一般选用38Ah,大中型变电站一般选用65Ah或100Ah。随着随着科学技术的发展，变电站二次回路中采用的产品功能与技术指标在不断提高，产品本身的功耗也在不断降低，所以现在变电站设计中直流操作电源容量选择都偏大，造成比较大的浪费。具体工作中应根据变电站二次回路所选用的设备与元件的实际功耗，进行计算后再来确定操作电源的容量。
变电站直流操作电源蓄电池容量（Ah）不仅直接关系到直流屏的造价，还增加了操作电源的故障率。随着变电站二次设备产品功能的不断改进，所消耗的功率也在不断降低，现在举例计算一个有20路进出线的变电站直流操作电源蓄电池容量，供大家讨论。为了简化讨论的内容，暂且不考虑变电站办公等用电，只讨论操作电源用电。
变电站二次回路的负荷分为长期运行、短期运行与瞬时运行三种。采用微机保护装置后，长期运行负荷包括信号灯与微机保护装置。每路进出线只考虑合分闸状态、手车运行与试验位置状态以及储能状态5个信号灯，以及1个微机保护装置。5个信号灯只能够有三个同时运行，每个功耗为1～3W；微机保护装置每台功耗为5～10W。20路进出线的变电站长期运行负荷为：20×（3×2＋10）W＝20×16＝320W。
直流操作电源的长期输出功率一般应为长期运行负荷的1.5～2倍，当长期运行负荷小于100W时应取2倍，当长期运行负荷大于300W时应取1.5倍。在上述20路进出线的变电站直流操作电源的长期输出功率可取500W。
变电站短期运行负荷为弹簧储能机构的储能电动机、负荷开关的合闸电动机以及永磁操动机构的储能电容器。弹簧储能机构的储能电动机一般功率不大于100W，储能时间不大于8s；负荷开关电动机一般功率不大于300W，储能时间不大于10s，一般变电站采用的比较少；永磁操动机构的储能电容器需要的电流一般功率不大于0.5A，储能时间不大于6s。变电站瞬时运行负荷为合分闸操作时合分闸线圈需要的电流，一般不大于5A。所以500W完全可以满足要求。
4.5变电站照明等其他用电负荷供电电源设计
变电站照明、柜内照明、凝露控制等负荷、宜与操作电源分开，因为照明等负荷断电，变电站运行会受到影响，但不会引起或扩大事故。照明等负荷可以与建筑物内部的事故照明统一考虑，变电站为独立建筑物时，可以选用应急照明电源（EPS）或应急照明灯。变电站照明等负荷与操作电源分开设计，可以减小操作电源的容量，提高操作电源的可靠性，降低变电站的工程造价。
为了提高操作电源供电可靠性，变电站操作电源均采用不接地运行方式，发生一相接地后可以继续运行一定时间。交直流电源屏均应设计对地绝缘监视装置。交流操作采用UPS不间断电源后，需要在输出端设计220/220V隔离变压器。
4.5变电站操作电源发展方向
（1）现有直流屏存在的问题
现有直流操作电源都选用容量的比较大的直流屏。直流屏蓄电池还为多个蓄电池串联，其中一个蓄电池内阻发生变化加大，就会影响蓄电池的出力，并会因为此蓄电池发热加速内阻变化，造成此蓄电池故障而引起整个操作电源故障。
（2）变电站直流操作电源新产品开发
微机保护装置已经实现分布式布置，现在已经有单位开发出小容量的UP5小型直流操作电源，变电站操作电源就可以实现分布式布置，以减小操作电源故障造成的影响。
（3）UP5小型直流操作电源特点
1）蓄电池组并联运行
UP5小型直流操作电源可以采用多组组蓄电池并联运行的运行方式，每组蓄电池只串联两节不同Ah数的12V蓄电池，通过直流升压技术提高到操作电源需要的DC220V或DC110V。一旦有一组蓄电池发生故障，另外一组蓄电池还可以继续工作，从而可以提高操作电源的可靠性。
2）蓄电池智能化管理
UP5小型直流操作电源利用单片机技术对蓄电池进行自动与远程控制的充放电活化处理，可以有效延长蓄电池的使用寿命，还可以通过单片机的通信接口与上一级计算机联网，实现变电站操作电源的智能化管理。
3）分布式安装
UP5小型直流操作电源体积比较小，可以分散安装于隔离柜、电压互感器柜或开关柜仪表室，实现分布式安装。变电站开关柜数量不大于3时，可以只安装一台UP5小型直流操作电源，变电站开关柜数量不大于3台，而小于10台时，可以只安装两台UP5小型直流操作电源，这样小型变电站就可以直流屏及其外部电源电缆，简化变电站二次电路设计。
4）集中组屏安装
变电站开关柜数量大于10台的大中型变电站可以按照操作电源需要的容量，将UP5小型直流操作电源安装在直流屏内，实现集中组屏安装。直流屏采用抽屉式结构，每面直流屏最多可安装8个抽屉，即8台UP5小型直流操作电源，这样变电站操作大于的可靠性就可以大大提高。
5结束语
随着科学技术的不断发展，新的电气产品与新的供电方案会不断出现，《继电保护与安全自动装置技术规程（GB/T 14285－2006）》中也提出“设计、运行单位应积极创造条件支持新产品的试用。”因此在变电站设计与城市电网改造中，应积极支持数字式（微机）保护与UP5小型直流操作电源等新产品的推广与应用。
